שערוך דופק מפרק כף היד

1. The Physiological Signal Processing Laboratory שערוך דופק מפרק כף היד מנחה: ד"ר לנגה דני מאת: די-קסטרו דותן בר-יוסףגיל מרץ 2003

2. תוכן עניינים • הצגת הפרויקט – מוטיבציה. • רקע תיאורטי ביולוגי. • בדיקת התכנות. • איתור קונפיגורציה אופטימלית. • מקור אות ה-ECG. • סינון האות. • שערוך האות באמצעות מודל ARX. • דיון ומסקנות. שערוך אות ECG מפרק כף היד

3. 1. הצגת הפרויקט- מוטיבציה.

4. הצגת הפרויקט הבעיה: התקנים למדידת דופק הקיימים היום סובלים מכמה חסרונות. לדוגמא מכשיר ECG רגיל זקוק לכמה נקודות דגימה בגוף (בחזה, ביד וברגל למשל). כמו כן התקנים אחרים הם אקטיביים (כמו מדידת דופק ע"י הקרנת אור אינפרא אדום על האצבע). מכשירים אלו אינם ניידים, מסורבלים , ורגישים לרעש. מטרת הפרויקט: פיתוח טכנולוגיה העשויה לשמש לבניית התקן (דמוי שעון) אשר מסוגל למדוד דופק , באופן פסיבי , ע"י חיבור לפרק כף היד בלבד. מכשיר זה יהיה זקוק לשטח מדידה קטן יחסית (שטח של שעון) ועמיד יותר לרעשים הנובעים מהסביבה ומאדם הנמדד. שערוך אות ECG מפרק כף היד

5. הצגת הפרויקט • הבעיה: הבעיה במדידת דופק או למעשה אות ECG מפרק כף היד, היא יחס אות לרעש (SNR) גרוע שיש במדידה ממקומות אלו, כתוצאה מסמיכות האלקטרודות על היד (עוצמת אות ECG נמוכה...). • פתרון: שימוש באלגוריתמים שונים לשערוך אות ה-ECG מהאות רועש. • שלבים בפתרון: • בדיקת התכנות ע"י שימוש במיצוע - OFFLINE • אלגוריתמים לשערוך האות - מודל autoregressive . שערוך אות ECG מפרק כף היד

6. אופן העבודה. • העבודה בפרויקט התחלקה לשני תהליכים: • בניית מודל תאורטי וישומו על אותות מלאכותיים. • ישום המודל על אותות דגומים. שערוך אות ECG מפרק כף היד

7. רקע תיאורטי ביולוגי

8. תאור אות ECG שערוך אות ECG מפרק כף היד

9. תאור אות ECG • גל Pהוא גל חיובי נמוך, המבטא את הפעילות החשמלית בעת התכווצות העליות. • גל זה נמשך כ- 0.2 שניות. P שערוך אות ECG מפרק כף היד

10. תאור אות ECG • מכלול QRS מייצג את התכווצות החדרים. אורכו כ- 0.06 עד 0.1 שניות. • גל Q מיצג את הפעילות החשמלית במחיצת הלב. • גל R מבטא את הפעילות החשמלית בחדרי הלב. • גל S מבטא את הזרם העובר בחדר הימני. R Q S שערוך אות ECG מפרק כף היד

11. תאור אות ECG • גל T. גל זה מבטא את הסתיימות התכווצות החדרים והתחלת הרפיית הלב. למעשה מכאן עד להופעת גל P חדש המערכת החשמלית של הלב במנוחה. • אורכו כ-0.3 שניות. T שערוך אות ECG מפרק כף היד

12. תאור אות ECG • ראוי לציין כי מירב אנרגיית האות נמצאת במכלול QRS ובגל T. QRS T שערוך אות ECG מפרק כף היד

13. קונפיגורציה קלאסית במדידת ECG • בדר"כ מודדים את ה ECG ע“י חיבור 4 אלקטרודות שונות: • שתי אלקטרודות (שני הערוצים RA ו-LA), בדר"כ אחת בכל יד. • אלקטרודה של ערוץ משותף, אשר ממוקמת בנקודות שונות בחזה לשם אבחון התגובות מאזורי לב שונים. • אלקטרודת הארקה באחת הרגליים, להפחתת רעשים חשמליים. RA LA LL שערוך אות ECG מפרק כף היד

14. החומרה והתוכנה בשימוש. מכשיר ה-ECG בו השתמשנו הינו תוצרת Norav Medical- , אשר מאפיניו העיקריים: • 12 סיביות ערוץ דגימה ברזולוציה של uVolt4.88~. • טווח מדידה של המכשיר הוא [-5,+5] mVolt. • קצבי דגימה של 250Hz,500Hz,1000Hz,2000Hz כאשר ברוב המקרים השתמשנו ב-500Hz. כמו כן המכשיר מחובר למחשב אישי, והתוכנה לעיבוד הנתונים הייתה Matlab. שערוך אות ECG מפרק כף היד

15. 3. בדיקת התכנות.

16. בדיקת התכנות - רקע מתמטישיטת המיצוע שערוך אות ECG מפרק כף היד

17. מדידת יא"ל (SNR) את ה-SNR חישבנו עפ"י הנוסחא הבאה: שערוך אות ECG מפרק כף היד

18. בדיקת התכנות-מדידת ECG דו צדדית וחד צדדית. מדידה דו צדדית: המתח נמדד בין חיישנים על שתי ידיים שונות. שערוך אות ECG מפרק כף היד

19. מדידת ECG דו צדדית וחד צדדית. מדידת חד צדדית: המתח נמדד בין חיישנים על אותה יד. )בדוגמא מדידה (i1_i6 שערוך אות ECG מפרק כף היד

20. סנכרון מידע חד צדדי, עפ"י דו צדדי על האות הדו צדדי הופעל אלגוריתם אשר מחפש ומוצא את השיאים של מכלול ה-QRS. האות הרצוי בערוץ החד צדדי מסונכרן עם האות הדו צדדי. אלגוריתם המיצוע הופעל על האות החד צדדי, כאשר הסנכרון בין האינטרוולים נעשה עפ"י השיאים של הערוץ הדו-צדדי. שערוך אות ECG מפרק כף היד

21. שערוך פעילות ממוצעת • לשערוך מספר שלבים: • מציאת השיאים של האות הדו-צדדי. • בחירת אינטרוולים בעלי גודל זהה סביב השיאים המשותפים. • ביצוע אלגוריתם המיצוע. • האות המשוערך מועבר דרך LPF לשם החלקה. שערוך אות ECG מפרק כף היד

22. שערוך פעילות ממוצעת לשם השוואה ניתן לראות את תוצאות תהליך המיצוע על אות חד צדדי(למעלה)אות חד צדדי עם LPF(באמצע) ואות דו צדדי(למטה). האות המוצג הוא מאיזור i1-i3 ויחס אות לרעש שהתקבל הוא -60.4dB. שערוך אות ECG מפרק כף היד

23. הערכת יחס אות לרעש (SNR) לאחר שקבלנו אות משוחזר, בדקנו את האנרגיה האגורה במכלול QRS אחד משוחזר. את האנרגיה הנ“ל חלקנו לסה"כ האנרגיה (הרעש והאות) באינטרוול זמן זהה. שערוך אות ECG מפרק כף היד

24. 4. איתור קונפיגורציה אופטימלית

25. מדידה ממספר מקומות על פני היד למדידת האות ממקומות שונים ביד ישנה השפעה על איכות המדידה. ניתן לחלק את היד לאתרים אשר מהם אפשר לבצע מדידות. האתרים מחולקים לפי אינדקסים מספריים לפי רמת הקרבה לפרק כף היד (ככל שהאתר רחוק יותר יש לו אינדקס גבוה יותר) וכן עפ"י המיקום סביב הזרוע (בפנים הזרוע, על גב הזרוע, ובצדי הזרוע). שערוך אות ECG מפרק כף היד

26. השוואת יא"ל במקומות שונים שערוך אות ECG מפרק כף היד

27. איתור קונפיגורציה אופטימליתמסקנות • קונפיגורציה אופטימלית מתקבלת באזורים 1, 2 ו-3, כאשר ה-com והחד צדדי באותו צד ובמרחק יחסית גדול (כאשר הם בפנים או על גב הזרוע), או בצדדים שונים (כמו i1-i3 או i1-b2). • קונפיגורציה גרועה מתקבלת כאשר המרחק בין ה-COM והחד צדדי קרוב מידי על אותו צד (כגוןi1-i2 ) , סמוך מידי לפרק כף היד (כגון i1-b1), או קרוב מידי למרפק. שערוך אות ECG מפרק כף היד

28. דוגמאות לקונפיגורציה אופטימלית שערוך אות ECG מפרק כף היד

29. דוגמאות לקונפיגורציה אופטימלית שערוך אות ECG מפרק כף היד

30. 5. מקור אות ה-ECG.

31. הוכחת נכונות המדידה. • כדי להוכיח כי אות ה- ECG נובע מהולכה חשמלית של הגוף ,מהלב אל היד, ולא מפעילות הורידים, בוצע חוסם ורידים על היד (למספר שניות) ונמדדה הפעילות חשמלית ביד (כאשר אין דופק ביד). חזרנו על תהליך בדיקת ההתכנות עבור מדידה בתנאים לעיל.דוגמא לתוצאה: מסקנה: הפעילות החשמלית ביד אינה נובעת מפעילות כלי הדם אלא מהפעילות החשמלית של הלב. שערוך אות ECG מפרק כף היד

32. 6. סינון אות ה-ECG.

33. פילטריזציה של האות • בשלב זה הועבר האות החד צדדי במסננים שונים, כאשר כל אחד מהמסננים מעביר פס תדרים מסוים. מטרת בדיקה זו היא לנסות לבודד את התדרים שבהם האות (ECG) מופיע בצורה בולטת וע"י הנחתה של שאר התדרים לנסות לשחזר את האות הרצוי. שערוך אות ECG מפרק כף היד

34. סינון אות ה-ECG שני דגשים הושמו בשימוש בדרך זו: • תחום התדר (כלומר התחום 0 עד 250Hz עבור קצב דגימה של 500Hz) חולק למספר תחומים, כאשר סך כל התחומים מעביר את כל ספקטרום האות. • מספר התחומים לחלוקה היה משתנה, כאשר מטרת השנוי הייתה הייתה למצוא מהי החלוקה האופטימלית של תחום התדרים. הדגימות שנבחרו היו מסך כל מקומות המדידה. באיור הבא ניתן לראות את התוצאות של אחת הדגימות אשר נלקחה ממיקום i1-i3. שערוך אות ECG מפרק כף היד

35. דוגמא לסינון האות בגרף העליון מופיע אות דו-צדדי לשם השוואה, בגרף מתחתיו ישנו האות החד-צדדי, ובגרפים הנותרים מופיעים התחומי התדרים הנמוכים. שערוך אות ECG מפרק כף היד

36. דוגמא לסינון האות - המשך שערוך אות ECG מפרק כף היד

37. דוגמא לסינון האות - המשך שערוך אות ECG מפרק כף היד

38. סינון האות- מסקנות. • לא ניתן בעזרת העברת האות במספר מסננים בתדרים שונים לשערך את אות ה-ECG. הסיבה לכך היא שאות ה-ECG מורכב תחום תדרים רחב יחסית, והרעש מופיע בעוצמה רבה בכל הספקטרום. בצד ימין מופיעה התמרת DFT של האות הדו-צדדי, ובצד שמאל החד-צדדי. שערוך אות ECG מפרק כף היד

39. 7. שערוך הדופק באמצעות מודל ARX.

40. מודל ה-AR • מודל ה-AR (AutoRegressive) הוא מודל אשר מבטא כל דגימה בזמן בעזרת דגימות בזמנים אחרים: כאשר U(n) הינו תהליך אקראי סטציונרי במובן הרחב, ו-e(n) הינו רעש לבן גאוסי. שערוך אות ECG מפרק כף היד

41. מודל ה-ARX • מודל ה-ARX (AutoRegressive Exougenous) הוא מודל אשר מבוסס על מודל ה-AR ובו חוץ מאשר הסתמכות על הדגימה הנוכחית, ישנה הסתמכות על דגימות של אות יחוס חיצוני: • כאשר U(n) הינו תהליך אקראי סטציונרי במובן הרחב, T(n) הינו אות היחוס ו-e(n) הינו רעש לבן גאוסי. שערוך אות ECG מפרק כף היד

42. T(n) U(n) e(n) מודל ה-ARX • את מודל ה-ARX ניתן לתאר בצורה סכמטית עפ"י הסכימה הבאה: שערוך אות ECG מפרק כף היד

43. מודל ה-ARX • לאחר חישוב המקדמים A(n), B(n) ניתן לשערך את אנרגיית האות בתוך הרעש ע"י חישוב אנרגית המקדמים B(n). ככל שאנרגית המקדמים B(n) גדולה יותר, כך ההסתברות כי אנרגיית אות ה- ECG בתוך הרעש גדולה יותר. • למעשה המודל, בעזרת חלון הנע על דגימות האות החד צדדי,חישב את המקדמים B בכל חלון, וכך התקבל משערך לאנרגיית ה-ECG. • יש לזכור כי אנרגיית האות בקומלקס QRS ובגל T הם הגבוהים ביותר, כך בעזרת פונקציה של האנרגיה כנגד הזמן ניתן לשערך את מיקום קומפלקס ה-QRS והגל T בזמן ולמדוד בעזרתם את הדופק. שערוך אות ECG מפרק כף היד

44. סימולציה של מודל ה-ARX • בתרשים הבא ניתן לראות סינטוז של אות ECG עם רעש: שערוך אות ECG מפרק כף היד

45. סימולציה של מודל ה-ARX • לאחר חישוב המודל, הוצגה האנרגיה של המקדמים B(n) (באדום) כפונקציה של הזמן, אל מול האות המסונתז (בכחול): שערוך אות ECG מפרק כף היד

46. קשיים במימוש המודל • SNR: ביחסי אות לרעש גרועים (SNR<-60dB) ניתן לראות כי ישנם שיאים המתחקים לשיאים של אנרגיה מקסימלית: שערוך אות ECG מפרק כף היד

47. קשיים במימוש המודל • ניסינו לכמת את הצלחת המודל בשיערוך אנרגיית האות של ECG מסונתז ע"י מדידת שגיאת תיזמון השיא המשוערך מהשיא האמיתי . ניתן לראות כי ככל שSNR גדול יותר הסכויים לשערוך האות קטנים. שערוך אות ECG מפרק כף היד

48. ישום מודל ה-ARX על אות ECG חד צדדי • למודל הוכנס אות Template אשר היה ממוצע על אות דו צדדי על מנת לקבל אות יחוס טוב ונקי. • המודל הופעל על האות החד-צדדי שנמדד והתקבלו התוצאות הבאות (בשקפים הבאים). • ניתן לראות כי המודל לא תמיד הצליח לשערך נכונה את אנרגיית האות. שערוך אות ECG מפרק כף היד

49. דוגמא למתאם טוב בין המודל על האות החד צדדי לבין האות הדו-צדדי (נקודות אדומות עבור שיא משוערך, והירוקות עבור שיא אמיתי): שערוך אות ECG מפרק כף היד

50. דוגמא למתאם גרוע בין המודל על האות החד צדדי לבין האות הדו-צדדי: שערוך אות ECG מפרק כף היד